Trang 54
CHƯƠNG 5

BỘ HIỆU CHỈNH PID, CÁC HÀM XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ VÀ
ỨNG DỤNG

5.1 Giới thiệu.
Nhiều năm trước đây bộ điều khiển PID được coi là bộ điều khiển lý
tưởng đối với các đối tượng có mô hình liên tục. Bộ PID thực sự là bộ điều
khiển động mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm
thay đổi đặc tính động và tónh của hệ thống điều khiển tự động.
Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bò điều khiển thực hiện luật điều
khiển được mô tả bằng phương trình sau:
u
.
(t) = k
p
e(t) +
 
D
t
I
Tde
T



0
1
e
.

Bộ hiệu
chỉnh PID
Đối tượng
điều
khiển
Ngõ ra

Ngõ vào

-
e(t)
u(t)
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 55
Cũng chính vì vậy mà các thiết bò điều khiển quá trình như DCS
Disbuted Control system, PLC Programmeble Logic Control,PCS Process
Control System của các hãng sản xuất thiết bò tự động trên thế giới không
thể thiếu được module điều khiển PID hoặc cứng hoặc mềm.
Để sử dụng tốt các module này, người thiết kế phải nắm được các
phương pháp chọn luật điều khiển và các tham số cho bộ điều khiển.

Trong phần mềm Step 7 có nhiều khối FB để hổ trợ việc viết chương trình điều
khiển thiết bò sử dụng luật hiệu chỉnh PID, như FB40,FB41, FB58, FB59
5.2 Môđun mềm FB58
5.2.1 Giới thiệu
Sơ đồ khối FB58
Hình 5.3. Các câu lệnh của FB58
Điểm Setpoint
Điểm Setpoint đặt ở ngõ vào SP- INT ở dạng số thực như một đại lượng vật lí
hoặc tỉ lệ phần trăm. Điểm setpoint và giá trò xử lí thường tạo thành sai số
phải có cùng một đơn vò
Sự lựa chọn giá trò xử lí (PVPER_ON)
Tuỳ thuộc vào PVER ON, giá trò có thể có được từ thiết bò ngoại vi hoặc ở
dạng số thực
PVER-ON xử lí giá trò ngõ vào:
-
TRUE: Giá trò xử lí được đo thông qua thiết bò ngoại vi Analog (PIWxxx)
tại ngõ
vào PV PER.
-
FALSE: Giá tri xử lí có được ở dạng số thực đặt tại ngõ vào PV-IN.
Sự chuyển đổi giá trò xử lí bằng hàm CRP-IN (PER-MOD)
Hàm CRP_IN chuyển giá trò ngoại vi sang dạng số thực tuỳ thuộc vào sự lựa
chọn PER_MODE

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 57
Việc tiêu chuẩn hoá giá trò xử lí PV_NORM (PF_FAC, PV_OFFS)
Hàm PV_NORM tính toán giá trò ngõ ra của hàm CRP_IN như sau:
"Output of PV_NORM" = "Output of CPR_IN" * PV_FAC + PV_OFFS
Nó được dùng với ý đònh:
PV_FAC:như hệ số của giá trò xử lí.
PV_OFFS:sự offset của giá trò xử lí.
Sự tiêu chuẩn hoá nhiệt độ sang tỉ lệ phần trăm: điểm setpoint ở dạng %, ta Hình 5.4. Ví dụ việc tiêu chuẩn hoá giá trò xử lí

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 58 Hình thức sai số
Sự khác biệt giữa điểm setpoint và giá trò xử lí trước khi bò đưa vào miền
chết sẽ tạo ra sai số. Điểm setpoint và giá trò xử lí phải có cùng kiểu đơn
vò(% hoặc đại lượng vật lí)
Miền chết (Deadb_W)
Với mỗi một giá trò, Deaband sẽ đưa ra một khoảng sai số
Nếu DEADB_W = 0 thì Deaband sẽ bò giảm sự kích hoặt. Sai số được đặc
trưng bằng thông số ER
Hình 5.5. Minh hoạ về miền chết

tại điểm hoạt động

Từng bước đáp ứng trong miền thời gian là:
LMN_Sum(t):là biến tổng trong chế độ tự động của bộ điều khiển
ER (0) : là sự thay đổi từng bước của sai số đã được chuẩn hoá
GAIN : độ lợi của bộ điều khiển
TI : thời gian tích phân
TD :thời gian vi phân
D_ :hệ số vi phân
Hình 5.7. Minh hoạ các thông số của thuật toán PID

Bộ tích phân (TI, I_ITL_ON, I_ITLVAL)
Trong điều khiển tay nó được điều chỉnh như sau:
LMN_I = LMN - LMN_P - DISV.
Nếu biến vận hành (manipulated variable) bò giới hạn thì cơ cấu I sẽ bò ngưng
hoạt động. Nếu sai số đưa cơ cấu I trở về trong khoảng cho phép của biến
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -

Việc tính toán biến vận hành
Sơ đồ khối dưới đây là sơ đồ về sự tính toán biến vận hành Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 61

Hình 5.8. Sơ đồ khối tính toán biến vận hành
Vùng điều khiển (CONZ_ON, CON_ZONE)
Nếu CONZ_ON = TRUE, bộ điều khiển sẽ hoạt động trong vùng điều
khiển. Điều này có nghóa là bộ điều khiển hoạt động theo thuật toán sau:
-
Nếu PV vượt quá giá trò SP_INT gần cận trên của CON_ZONE, thì giá trò
LMN_LLM là giá trò ngõ ra như biến vận hành (điều khiển theo chu trình
kín)
-
Nếu PV nằm dưới giá trò SP_INT gần cận dưới của CON_ZONE,thì giá trò
LMN_HLM là giá trò ngõ ra như biến vận hành(điều khiển theo chu trình
kín)
-
Nếu PV nằm trong khoảng vùng điều khiển (CON_ZONE) biến vận hành
sẽ giữ giá trò của nó lại từ LMN_Sum của thuật toán.

sẽ làm giảm biến vận hành. Vùng điều khiển sẽ có tác động tới sự ổn đònh
nhanh hơn mà không có sự vượt quá giới hạn hoặc sai lệch dưới( thấp hơn trò
số danh nghóa).
Xử lí giá trò bằng tay (MAN_ON, MAN)
Bạn có thể bật công tắc điều khiển tay hoặc tự động . Trong điều khiển tay
biến vận hành được điều chỉnh đến một giá trò theo hướng dẫn .
Cơ cấu tích phân (INT) được set đến giá trò LMN - LMN_P – DISV và cơ cấu
vi phân (DIF) đươc set đến giá tri 0 và được đồng bộ hoá bên trong. Do đó
chuyển sang chế độ tự động sẽ ít bò va chạm hơn.
Chú ý: trong khi điều khiển thông số MAN_ON không có ảnh hưởng gì.
Sự giới hạn của biến vận hành LMNLIMIT (LMN_HLM, LMN_LLM)
Giá trò của biến vận hành được giới hạn đến 2 giá trò giới hạn LMN_HLM và
LMN_LLM bởi hàm LMNLIMIT. Nếu sự giới hạn này đạt được, điều này
được chỉ đònh bởi bit thông tin QLMN_HLM và QLMN_LLM. Nếu biến vận
hành bò giới hạn thì cơ cấu sẽ bò ngưng hoặt động. Nếu sai số đưa cơ cấu I về
đúng vùng biến vận hành thì cơ cấu I sẽ được phục hồi.
Tay đổi sự giới hạn của biến kết quả
Nếu miền biến vận hành bò giảm và giá trò mới không được giới hạn của biến
vận hành nằm ngoài khoảng giới hạn, thì cơ cấu I và giá trò của biến vận
hành sẽ bò thay đổi.
Việc tiêu chuẩn hoá biến vận hành (LMN_FAC, LMN_OFFS)
Hàm LMN_NORM chuẩn hoá biến vận hành theo công thức sau:
LMN = LmnN * LMN_FAC + LMN_OFFS
Nó được dùng với ý đònh:
LMN_FAC: như hệ số của giá trò xử lí.
LMN_OFFS: sự offset của giá trò xử lí.
Giá trò biến vận hành cũng có khả năng được đònh dạng từ bên ngoài.
Hàm CRP_OUT chuyển số thực sang giá trò ngoại vi theo công thức sau:
LMN_PER = LMN * 27648/100
Với giá trò mặc đònh (LMN_FAC = 1.0 và LMN_OFFS = 0.0) thì sự chuẩn

Việc chuyển đổi các thông số giữa bộ PI và PID LOAD_PID (PID_ON)
Theo quá trình điều chỉnh các thông số PID và PI sẽ được lưu vào trong cấu
trúc PI_CON và PID_CON. Tuỳ vào PID_ON,bạn có thể sử dụng
LOAD_PID trong điều khiển tay đối với các thông số PI hoặc PID để tạo ra
các thông số của bộ điều khiển

Chu ý:
Các thông số của bộ điều khiển chỉ được ghi trở lại vào bộ điều khiển với
UNDO_PAR hoặc LOAD_PID khi độ lợi của bộ điều khiển khác 0.
LOAD_PID copy các thông số nếu độ lợi GAIN <> 0 (các thông số của một
trong hai bộ PI và PID )
D_F, PFAC_SP có thể được set đến giá trò mặc đònh bằng cách điều chỉnh.
Những giá trò này sau đó có thể được xác đònh bởi người điều chỉnh.
LOAD_PID không thay đổi các thông số này.
Với LOAD_PID vùng điều khiển luôn được tính toán lại.
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 64
(CON_ZONE = 250/GAIN) ngay khi CONZ_ON = FALSE được set.
Quá trình chạy (Tuning) của FB 58 "TCONT_CP
"
 Giới thiệu
Với việc điều khiển việc chạy tự điều chỉnh của "TCONT_CP", bộ điều
khiển PI/PID cập nhật tự động các thông số của bộ điều khiển. Có hai
phương thức chạy Tuning:
-
Chạy tự điều chỉnh bằng sự tiến gần tới điểm hoạt động với sự thay đổi
từng bước của điểm đặt.
-


Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 65
Hình 5.12. Màn hình cài đặt thông số
-
Sau khi cài đặt thông số xong ta vào Data Block -> Open Oline ->
Option Controller Tuning
 Kết quả
Các thông số điều khiển được cập nhật trong quá trình FB58
"TCONT_CP" chạy tự điều chỉnh.
Nhân tố để làm giảm thông số tác động P là PFAC_SP = 0.8
-
Độ lợi của bộ điều khiển GAIN
- Thời gian bộ tích phân: TI
-
Thời gian bộ vi phân: TD
- Nhân tố bộ vi phân: D_F = 5.0
-
Vùng điều khiển Control zone on/off: CONZ_ON
-
Độ rộng vùng Control zone: CON_ZONE



5.2.2 Các thông số của FB58

ĐỊA
CHỈ
THÔNG
SỐ
IN/OUT

KIỂU
DỮ
LIỆU
VÙNG
GT
GT
ĐẦU
MÔ TẢ

0.0

PV_IN

INPUT


0.0

DISTURBANCE
VARIABLE
Đối với điều khiển
thuận biến nhiễu sẽ
Thời
gian
thử
Hệ số
SP
Chú thích Độ vọt lố

8:18

1.0

Cơ cấu P không có sự hồi tiếp

32%8:19

0.8

Cơ cấu P có sự hồi tiếp 20%,
sự
đáp ứng điều khiển ở điều kiện
tốt nhất

DIRECTION .
Ngõ ra của cơ cấu I có
thể được chỉ ra trong
một phạm vi trực tiếp.
Để đạt được điều này,
ngõvào INT_HPOS
phải được set đến giá
trò TRUE . Trong từng
đợt điều khiển,
INT_HPOS của bộ điều
khiển đầu tiên được kết
nối đến ngõ
QLMN_HLM của bộ
điều khiển thứ 2
10.1

INT_HNE
G
INPUT

BOOLFALS
E
INTEGRAL ACTION
HOLD IN NEGATIVE
DIRECTION.
Ngõ ra của cơ cấu I có
thể được chỉ ra trong

Nếu máy phát sung
được kích hoặt, có một
vài cách để gọi thuật
toán PID và bộ phát
sung.
SELECT =0: Bộ điều
khiển sẽ được gọi trong
một chu kì nhanh ở mức
độ gián đoạn, thuật toá
PID vàø bộ phát sung sẽ
được xử lí.
SELECT =1:Bộ điều
khiển sẽ được gọi trong
khối OB1 và chỉ thuật
toán PID được xử lí.
SELECT = 2: bộ điều
khiển sẽ được gọi trong
một chu kì nhanh ở mức
độ gián đoạn và chỉ bộ
phát sung được xử lí.
SELECT =3: Bộ điều
khiển sẽ được gọi trong
một chu kì chậm ở mức
độ gián đoạn và chỉ
thuật toán PID được xử
lí.
14.0 PV OUTPU
T
REAL Tuỳ
cảm
0

MANIPULATED
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 69
T

VARIABLE
PERIPHERY.
Giá trò đầu ra thiết lập
bằng tay theo kiểu biểu
diễn phù hợp với các
cổng vào/ra tương tự
được chọn qua ngõ
ra“manipulated variable
periphery”
24.0 QPULSE OUTPU
T
BOOL

FALS
E
OUTPUT PULSE
SIGNAL.
Khi có giá trò xung
được kích hoặt thì sẽ có


FALS
E
LOW LIMIT OF
MANIPULATED
VARIABLE
REACHED
Cổng ra” low limit of
manipulated variable
reached ” thông báo
giá tò của biến quá trình
nhỏ hơn giá trò giới hạn

24.3

QC_ACT

OUTPU
T
BOOLTRUE

NEXT CYCLE, THE
CONTINUOUS
CONTROLLER IS
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

30.0

CYCLE_P

INPUT/

OUTPU
T
REAL


0.001
s
0.02s

SAMPLE TIME OF
PULSE
GENERATOR[s].
Tại ngõ vào này, bạn
đưa vào thời gian mẫu
đối với máy phát xung.
FB 58 “TCONT_CP”
tính toán thời gian mẫu
trong pha thứ nhất và
đưa nó vào trong
CYCLE_P.
34.0

SP_INT


T
REAL0.0

MANUAL VALUE.

Cổng vào” manual
value” được sử dụng để
đặt giá trò bằng các
hàm giao diện
42.0 COM_RST

INPUT/
OUTPU
T
BOOL

FALS
E
COMPLETE
RESTART
Khối có chức năng khởi
tạo lại hệ thống hoàn
toàn khi đầu vào
“complete restart” được
thiết lập giá trò logic
TRUE
42.1

FALS
E
PROCES VARIABLE
PERIPHERY ON
Nếu bạn muốn giá trò
xử lí được đọc thông
qua thiết bò I/O, ngõ
vào PV_PER phải được
kết nối đến I/O và giá
trò xử lí ngoại vi phải
được set lên (TRUE).
186.5

LOAD_PI
D
INPUT/

OUTPU
T
BOOLFALS
E
LOAD OPTIMIZED
PI/PID PARAMETERS

186.6

PID_ON
Hình 5.14. Các câu lệnh của hàm FC105

-
Ví dụ: Mức đầy trong bồn được đo bằng lít .Bộ
chuyển đổi đo được chọn 500 lít thì tương ứng
với một giá trò đo là 10V.
-
Tỉ lệ: Module Analog chuyển đổi giá trò analog
10V thành số nguyên 27 648. Giá trò này bây
giờ đã được chuyển đổi thành đại lượng vật lí lít.
Quá trình này người ta gọi là đònh tỉ lệ giá trò
Analog.
-
Chương trình:Việc đònh tỉ lệ giá trò analog được
thực hiệ trong khối chuẩn FC 105. Khối FC 105 nằm trong thư viện “
Standard Library”trong chương trình S7”TI-S7 Converting Block” của
phần mềm Step 7.
-
IN : Giá trò Analog tại ngõ vào IN có thể được đọc trực tiếp từ module
hoặc
đọc qua ngõ giao tiếp dữ liệu trong dạng INTEGR
-
LO_LIM,HI_LIM: Các giới hạn chuyển đổi các đại lương vật lí sẽ được
đặt
trước ở các ngõ vào LO_LIM (giới hạn dưới) và HI_LIM (giới hạn

2
là +27648.
Trong ví dụ trên, bit nhớ 0.0 có tín hiệu “0” và vì thế báo hiệu giá trò ngõ
vào là một cực.
-
RET_VAL: Ngõ ra RET_VAL có giá trò 0 nếu sự hoặt động không có sự
cố.
Nếu giá trò tại ngõ vào lớn hơn K
2
, ngõ ra OUT được kiểm soát bởi
HI_LIM và lỗi xuất hiện, nếu giá trò tại ngõ vào nhỏ hơn K
1
, ngõ ra OUT
được kiểm soát bởi LO_LIM và lỗi xuất hiện. Lúc này ENO sẽ được set
giá trò 0, và RET_VALsẽ có giá trò W#16#0008.

5.3.2 Hàm FC106_Không chia tỉ lệ số thực cho ngõ ra Analog Hình 5.15. Các câu lệnh của hàm FC106


lít/phút, nó được tác động bởi 2 rơle(250 VAC/5A). Dòng nước qua bơm chia
làm 2 phần, 1 lượng sẽ qua van solenoid và 1 lượng được hồi về bể 1 để bảo
đảm an toàn cho bơm khi van solenoid đóng lại. Van solenoid cũng có thể được
điều khiển bằng tay hoặc bằng PLC dùng đề đóng mở tức thời dòng nước lên
bồn chứa 1 khi điều khiển. p suất hoạt động từ 0-10 bar, cấp dòng 24 VDC,
dòng có thể được cấp từ rơle hoặc trực tiếp từ PLC.

Dòng tiếp tục qua bộ phận hiển thò lưu lượng dòng cơ khí dùng để điều chỉnh
lưu lượng sao cho vừa phải ổn đònh giữa 2 luồng nước phân nhánh từ bơm. Khi qua bộ
chuyển đổi lưu lượng bộ phận này sẽ hiển thò giá trò lưu lượng dòng chảy chính xác
và truyền thông số này về cho PLC xử lý dưới dạng dòng điện từ 0/4 – 20 mA tuỳ
theo giá trò lớn nhỏ của lưu lượng nước.

PLC nhận 2 ngõ vào analog là bộ chuyển đổi lưu lượng vàø cảm biến, tuỳ thuộc vào
chương trình phần mềm điều khiển được viết sẵn mà PLC sẽ điều khiển proportional
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 75
vale( vale điều khiển tỷ lệ ) để đóng mở góp mở của van . Do đó lưu lượng nước sẽ
được điều khiển 1 cách tỷ lệ với dòng mà PLC xuất ra từ ngõ ra AO.

P S C P U DI D O A O AI
BO Ä ĐO M ỨC
BO Ä
ĐO
LƯ N G
V 3
O N /O F F
BƠ M
V 2 (0% -100 % )
Van tuye án tính
L IS 1
V 1
ON /O F F
4-20mA
P Q W 2 88 P I W 2 7 2
S ta rt /
S top
I0.0
I0.1
4-20mA
1-100cm
V 4
V an xả
Bo àn 1
B ồn 2
Q0.2
Q0.1
PV
Fuzzy
control

PV : là giá trò hiện tại có trong bồn nước (giá trò được đọc từ vùng nhớ vào analog)
Ta lấy giá trò hiện tại PV so với giá trò đưa vào SP ta được e
ss
= SP-PV
Sơ đồ điều khiển 5.4.3. Khai Báo Thông Số Phần Cứng:


(4-20 mA)
6ES7 332 -
5HB01-0AB0
AI
A/D
IN
4-20 mA
Vùng
nhớ
Số thực Số thực
PIW
PQW
A0
D/A
FC105 FB 30 FC106
Tín hiệu
ra
FB58

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Trang 77
Bảng đòa chỉ vào ra

Đòa Chỉ

Tên thiết bò

I0.0


V2 Van tuyến tínhPhần mềm điều khiển OB1:
Network 1
A "Start/Stop push button"
FN M 0.0
S "Start/Stop push lamp"
S "Pump_Valve3"
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -

DISV :=
INT_HPOS:=
INT_HNEG:=
SELECT :=1
PV :=
LMN :=
LMN_PER :=
QPULSE :=
QLMN_HLM:=
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM